基于组合赋权法的着陆冲出跑道事故影响因素评估

刘军凯, 崔振新

(中国民航大学 民航安全科学研究所, 天津 300300)



基于组合赋权法的着陆冲出跑道事故影响因素评估

刘军凯, 崔振新

(中国民航大学 民航安全科学研究所, 天津 300300)

为了研究着陆冲出跑道事故的影响因素,在综合分析事故案例及已有研究成果的基础上,建立了着陆冲出跑道事故影响因素的指标体系,其中包括“人、机、环、管”为主的4个一级指标和14个二级指标,运用组合赋权法构建着陆冲出跑道事故影响因素的评估模型。采用该模型对近几年官方发布的完整的43起着陆冲出跑道事故调查报告进行评估,分别运用熵权法和层次分析法计算评价指标的客观及主观权重,之后利用组合赋权法得到组合权重并对评估结果进行对比分析。评估结果表明,引入组合赋权法可以得到着陆冲出跑道事故影响因素的科学的权重大小,对防范着陆冲出跑道事故的发生以及改善民航安全有一定的指导意义。

着陆冲出跑道事故; 熵权法; 层次分析法; 组合赋权法

0　引言

着陆阶段是整个飞行过程中事故及事故征候的高发阶段,其中,冲偏出跑道在着陆阶段出现的事故中所占的比例最大。空中客车公司按照ICAO的事故分类方法统计了近20年(截止到2010年)全球所有飞机全损事故数据,冲偏出跑道事故数量位列第一,约占所有事故类别的1/3[1]。根据中国民用航空安全信息网的数据,自2005年1月1日至2010年12月31日,中国民航发生87起运输严重事故征候,其中25起是偏冲出跑道,不仅位列第一,而且远高于其他类别的严重事故征候数量[2]。2010年至2014年官方发布的完整的着陆冲偏出跑道事故调查报告75起(其中着陆冲出跑道43起,着陆偏出跑道32起),起飞偏冲出跑道10起,可见着陆冲出跑道所占跑道偏离事故的比例最大。所以,对着陆冲出跑道事故的影响因素进行分析研究对航空安全具有重大的现实意义。

目前国内外诸多研究人员和学者已经利用各种模型和方法对飞机冲偏出跑道进行了大量的研究和影响因素分析。例如,张晓全等[3]利用WBA方法对冲出跑道事故存在的风险进行了研究;崔振新等[4]利用Reason和SHEL模型对近几年发生的冲出跑道事故进行了分析;李小燕[5]对近10年全球商用喷气式飞机出现冲出跑道的事故进行了统计分析。

虽然之前学者对着陆冲出跑道事故已经做了很多的研究,但是在对影响因素的重要度或者关联度进行分析时,一般是直接计算相关系数,或者利用层次分析法计算各个因素的权重,在以上各种方法中都没有把主观权重和客观权重放在一起进行分析研究。本文利用熵权法计算影响因素的客观权重，利用层次分析法计算影响因素的主观权重，最后综合利用组合赋权法将主、客观权重组合运算,计算出最终权重。组合赋权法能够有效弥补仅凭借单一权重作为分析结果的缺点,发挥了主观和客观权重的优点,能够得到更为准确的分析结果。

1　基于组合赋权法的着陆冲出跑道

事故评估模型

1.1熵权法

假设有m个着陆冲出跑道事故为研究对象,n个着陆冲出跑道事故的影响因素为评价指标,则有原始数据矩阵X=[xij]m×n,xij≥0。在实际计算中,一般取xij≥0是为了保证采用均值转化后pij的取值范围为[0,1][6]。

首先,需要对原始评价数据采用归一化的方法进行处理,即:

(1)

得到处理后的矩阵为P=[pij]m×n[7]。对于系统中的某个指标xj,其信息熵为:

(2)

式中:k=1/lnn。

第j个指标的熵权定义为:

(3)

1.2层次分析法

(1)根据着陆冲出跑道事故的影响因素各指标之间的隶属关系构建相应的指标体系图。

(2)对每一层次的各项指标采用两两比较的方法确定两者的相对重要性,一般用一种标度形式赋值(本文采用1～5比例标度),建立判断矩阵R。

(3)利用公式CR=CI/RI对判断矩阵R进行一致性检验。其中,CR为判断矩阵的随机一致性比率;CI=(λ-n)/(n-1)为判断矩阵的一致性指标(λ为最大特征值;n为矩阵的阶数);RI为n对应的随机一致性指标的数值。一般当CR<0.1时,则认为矩阵A的不一致程度在容许范围内,这时可用其归一化特征向量作为权重向量[8]。

(4)对R的一致性进行检验之后,利用RW=λmaxW计算权重。其中,λmax为R的最大特征根,W为属于特征值λmax的特征向量,即所求的权向量[7]。

(5)计算底层指标相对于目标层的权重,如下式所示[9]:

(4)

1.3组合赋权法

(5)

2　实例分析

2.1指标体系的构建及原始数据统计

2010～2014年官方发布的完整的着陆冲出跑道事故调查报告共43起。将着陆冲出跑道作为顶层事件A,分为“人、机、环、管”共4个主要因素B1～B4,又把4个主要因素划分成14个具体的影响因素C1～C14,其具体影响因素的指标体系如图1所示。

根据上述影响因素指标体系图,对43起着陆冲出跑道事故的14个具体影响因素进行统计分析,分别统计了14个因素在43起事故中的发生次数,如表1所示。

图1　着陆冲出跑道事故影响因素的指标体系Fig.1　The evaluation index system of influencing factors for landing overrun runway accidents

影响因素发生次数 机组决策、技能失误C130 违章C217 丧失情景意识C320 CRM失效C424 反推失效C52 扰流板失效C61 其他机械故障C73 雨、雪、雾C821 顺风、阵风C99 跑道湿滑、污染C1023 航空公司文件缺陷C1112 培训缺陷C1211 跑道管理缺陷C1313 空中交通服务缺陷C147

将事故案例按照发生时间分为两组,2004～2008年一组,2009～2013年一组。把这两组作为研究对象,分别记为X1和X2。将14项影响因素C1～C14作为评价指标,将每项评价指标的发生次数作为原始数据。则由原始数据构造的原始矩阵为：X=[xij]n×m,xij≥0(i=1,2;j=1,2,…,14),即：

对原始数据进行预处理,由式(1)得到处理后的标准化矩阵为:

2.2采用熵权法确定着陆冲出跑道事故影响因素

的客观权重

由式(2)可以得到每个指标的信息熵为:

Ej=[0.816 9,0.588 1,0.689 3,0.740 8,0.090 8,0.098 1,0.189 0,0.666 2,0.558 9,0.445 7,0.504 2,0.483 7,0.542 4,0.383 4]

由式(3)得到每个指标的权重为:

2.3采用层次分析法确定着陆冲出跑道事故影响

因素的主观权重

根据着陆冲出跑道影响因素的指标体系图1,采用层次分析法确定各项权重。着陆冲出跑道作为顶层事件,以4个关键因素“人、机、环、管”作为一级指标为例,向20名长期从事民航一线事故/事件调查分析相关工作的专家发放问卷,由专家定量给出着陆冲出跑道事故影响因素两两比较时的重要性指标。统计了多位专家的打分结果,然后对每项指标求平均值得到能够代表众多专家意见的评分表,写成如下判断矩阵形式:

式中:数值等于1.00表示两个评估指标同样重要;数值大于1.00表示相对重要性逐渐提高;数值小于1.00表示相对重要性逐渐降低。

首先对判断矩阵进行一致性检验,然后求判断矩阵的最大特征值及其所对应的特征向量,所求得的特征向量即为权重向量,从而可得出一级指标各参数的权重为:

w1=[0.471 3,0.159 2,0.231 2,0.138 3]

之后用类似方法可以得到一级指标人为因素下的二级指标的判断矩阵为:

对该矩阵经过一致性检验后,可求得相应的权重向量,即二级指标各参数的权重为:

w11=[0.321 9,0.372 7,0.195 9,0.109 6]

重复采用上述方法能够分别求得机械因素、环境因素、管理因素对应的二级指标各参数的权重分别为:

利用式(4)求得二级指标相对于最高层的权重为:

2.4采用组合赋权法求得着陆冲出跑道事故影响

因素的组合权重

按照式(5)利用组合赋权法对上述两种权重进行组合,通过与专家的交流和讨论,确定了当θ=0.5时,可以很好地将主、客观权重进行组合,并能够在很大程度上减少主观权重和客观权重的不利影响,最终得到组合赋权后二级指标各参数的权重并按权重大小排序,如表2所示。

根据表2中的权重大小排序可以看出：影响最大的前5项因素依次为违章C2，反推失效C5，机组决策、技能失误C1，扰流板失效C6及CRM失效C4,其中3项属于人为因素,2项属于机械因素。此外跑道湿滑、污染C10，顺风、阵风C9和雨、雪、雾C8这3个因素的排序紧跟其后,可见天气原因对着陆冲出跑道事故的影响程度不容忽视。另外,管理因素作为潜在因素也应该引起重视,比较突出的是培训缺陷C12和空中交通服务缺陷C14,这些影响因素也在一定程度上促成了着陆冲出跑道事故的发生。

表2　着陆冲出跑道事故影响因素组合权重排序表

2.5评估结果分析

通过建立基于组合赋权法的评估模型,对着陆冲出跑道事故进行评估,得到了不同于以往学者在该方面的研究结果：文献[3-5]研究得到的影响因素排序为人为因素、环境因素、管理因素和机械因素,而本文研究得到的影响因素排序为人为因素、机械因素、环境因素和管理因素,主要原因如下:

(1)通过组合赋权法计算影响因素的权重是将主观和客观一起研究,不仅仅因为影响因素发生次数多其权重结果就大，或者影响因素发生次数少其权重结果就小这样简单的映射关系。此外着陆冲出跑道事故往往不是由一项或两项因素引起的,往往会涉及到两项或者两项以上[13]。

(2)机械因素中的反推失效和扰流板失效虽然发生的次数很少,但是只要有该类因素发生,就很难通过机组的操作来阻止事故的发生,所以就会极大地增加着陆冲出跑道事故发生的概率,所以这两项因素的所占权重也较大。

(3)笔者认为该方法能够准确合理地解释不同影响因素对该类事故的影响程度大小,能够为防范该类事故的发生及改善民航安全提供一定的依据。

3　结论

(1)航空公司应该加强对飞行员的专项训练,特别是针对机组违章以及机组决策、技能失误方面的培训,主要包括:训练飞行员准确有效地执行标准操作程序,明确稳定进近的标准;正确地使用反推、刹车以及扰流板。此外还要加强飞行员在特殊情况下的飞行训练,提高飞行员的应对能力,主要包括:在特殊天气和机场环境下的着陆训练;湿滑和污染跑道上的刹车训练;紧急情况下的复飞程序训练。

(2)航空公司和机场的相关维修单位应该加强对飞机刹车系统、反推以及扰流板等设备的检查和维修,适当地缩短检查和维修间隔,及时对疲劳或故障部件进行更换,准确记录检查及维修状况。

(3)机场要建立完善的污染或湿滑跑道的检查标准,跑道出现污染或湿滑等情况时要及时检测跑道摩擦系数并向飞行机组准确地反馈，组织人员及时清除跑道上的冰、雪等污染物。当跑道摩擦系数低于规定值时,果断关闭跑道,停止飞行,避免事故的发生。

(4)管制员要严密监控进离场飞机的动态,为机组提供稳定进近的飞行条件;管制员还要向飞行机组及时准确地反馈机场跑道道面情况和机场周围的气象条件等;做好对飞行参数的实时观察,当发现飞行参数出现较大偏差时,及时向机组成员发出提醒。

[1]霍志勤.跑道安全理论与实务[M].北京:中国民航出版社,2013:104.

[2]中国民用航空局航空安全办公室,中国民航科学技术研究院.中国民航不安全事件统计分析报告[R].北京:中国民航出版社,2011.

[3]张晓全,李秋实.基于WBA方法的冲出跑道事故风险管理研究[J].中国安全科学学报,2012,22(11):67-73.

[4]崔振新,陆正,汪磊.基于灰色关联的着陆冲出跑道影响因素评价[J].安全与环境工程,2015,22(3):99-104.

[5]李小燕.近十年全球商用喷气机冲出跑道事故统计分析[J].中国民用航空,2009(9):37-39.

[6]尚天成,高彬彬,李翔鹏,等.基于层次分析法和熵权法的城市土地集约利用评价[J].电子科技大学学报,2009,11(6):6-9.

[7]崔建国,林泽力,吕瑞,等.基于模糊灰色聚类和组合赋权法的飞机健康状态综合评估方法[J].航空学报,2014,35(3):764-772.

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[9]李绍勤,刘飞,张崇.层次分析法在车辆事故分析中的应用[J].陕西师范大学学报(自然科学版),2004,32(S1):214-218.

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[11]王钰娟.基于组合赋权和改进TOPSIS的经济评价研究[D].大连:大连理工大学,2009.

[12]陈伟,夏建华.综合主、客观权重信息的最优组合赋权方法[J].数学的实践与认识,2007,37(1):17-22.

[13]霍志勤.中国民航运输航空器偏/冲出跑道统计分析[J].中国安全生产科学技术,2012,8(7):127-132.

(编辑：姚妙慧)

Evaluation of the influencing factors for landing overrun runway accidents based on combination weighting approach

LIU Jun-kai, CUI Zhen-xin

(Research Institute of Civil Aviation Safety, Civil Aviation University of China,Tianjin 300300, China)

In order to analyze the influencing factors for landing overrun runway accidents, on the basis of the comprehensive analysis of accident case and previous research, an influencing factors index system for landing overrun runway accidents was set up, including the "human, mechanical, environment, management" factors of 4 primary indexes and 14 secondary indexes, and the landing overrun runway accidents evaluation model of influencing factors is established by applying the approach of combination weighting. The report for the 43 landing overrun runway accidents released in recent years was evaluated officially with the model. The entropy weighting approach and the analytic hierarchy process (AHP) were used to calculate and evaluate objective weighting and subjective weighting respectively. Then, combination weighting was obtained with the use of combination weighting approach, and the evaluation results were analyzed. Evaluation results show that introduction of the approach of combination weighting could scientifically get the weights of influencing factors for landing overrun runway accidents, and could provide certain significant guidance for preventing the landing overrun runway accidents and improving the civil aviation safety.

landing overrun runway accident; entropy weighting approach; analytic hierarchy process; combination weighting approach

2015-11-04;

2016-03-16; 网络出版时间:2016-04-22 09:52

国家自然科学基金资助(61304207)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(ZXH2012P001)

刘军凯(1990-)，男，山东广饶人，硕士研究生，研究方向为民航安全管理、航空安全信息。

V328.1

A

1002-0853(2016)05-0077-05